(57)【要約】【課題】  フィラメントのコーティングを剥落させない、真空蛍光ディスプレイ用の自動フィラメント接合システムを提供する。【解決手段】  フィラメント接合システムは、スプールおよび平衡化ダンサーアームアセンブリを有する繰り出しシステムと、湾曲したフィラメント入口、より狭い把持領域およびより幅の広いフィラメント出口を有するクランプと、ガイド部、溝形成部、およびステーキング部を備えたボンドツールとを備えたボンドヘッドを含んでいる。溝形成部は、ボンドへ溝を形成し、ステーキング部は、フィラメント上方において溝を閉じて、ボンド内にフィラメントを固定する。したがって、フィラメントは、単一のボンドを用いてボンドヘッドを一度通過させることで接合され得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンドにワイヤを接合するボンドツールであって、
ワイヤを案内するためのガイド部と、
前記ボンドに溝を形成するための、前記ガイド部に隣接した溝形成部と、
前記溝を塞ぐための、前記溝形成部に隣接したステーキング部とを備え、
前記ガイド部、前記溝形成部および前記ステーキング部が、全て前記ボンドツールに配置されるボンドツール。
【請求項２】
前記ガイド部およびステーキング部は、概ねＶ字状であり、前記溝形成部は、概ね逆Ｖ字状である請求項１に記載のボンドツール。
【請求項３】
前記ステーキング部は、前記ガイド部より浅いＶ字形状を有する請求項２に記載のボンドツール。
【請求項４】
ワイヤは、フィラメントである請求項１に記載のボンドツール。
【請求項５】
前記接合は、超音波エネルギーおよび圧力により行われる請求項１に記載のボンドツール。
【請求項６】
前記ボンドは、アルミニウムボンドである請求項１に記載のボンドツール。
【請求項７】
ボンドにワイヤを接合するボンドヘッドであって、
ワイヤを収容し回転可能なスプールと、
アーム、および該アームに連結されたプーリとを備えたダンサーアームアセンブリであって、ワイヤが、前記スプールから前記プーリに沿って繰り出される前記ダンサーアームアセンブリと、
前記ボンドへワイヤを接合するボンドツールと、
前記プーリと前記ボンドツールとの間に配置されたクランプと、
を備えるボンドヘッド。
【請求項８】
前記ボンドツールは、ガイド部、溝形成部、およびステーキング部を含む請求項７に記載のボンドヘッド。
【請求項９】
前記接合は、超音波エネルギーおよび圧力を用いて行われる請求項７に記載のボンドヘッド。
【請求項１０】
前記溝形成部は、前記ボンドに溝を形成する請求項８に記載のボンドヘッド。
【請求項１１】
前記ステーキング部は、前記ボンド内のワイヤ上方の溝を塞ぐ請求項１０に記載のボンドヘッド。
【請求項１２】
前記クランプは、
第１のクランプ半体と、
対向する第２のクランプ半体とを備え、
各クランプ半体は、ワイヤ入口用の第１の開口部と、ワイヤ出口用の第２の開口部と、把持領域とを有し、前記入口および出口は、前記把持領域より幅が広い請求項７に記載のボンドヘッド。
【請求項１３】
前記第１および第２のクランプ半体は、前記第１の開口部を形成する、対向して湾曲した部分を有する請求項１２に記載のボンドヘッド。
【請求項１４】
前記第１のクランプ半体は固定されており、前記第２の半体は可動である請求項１２に記載のボンドヘッド。
【請求項１５】
スプールからのワイヤを保持するクランプであって、
湾曲した第１の部分および第２の部分を有し、湾曲した前記第１の部分が、前記第２の部分より前記スプールに近い第１のクランプアームと、
湾曲した第１の部分および第２の部分を有し、対向する第２のクランプアームと、
を備え、
湾曲した前記第１の部分が、前記第２の部分より前記スプールに近く、２つの湾曲した前記第１の部分から形成された開口部は、２つの前記第２の部分から形成された把持領域よりも幅が広いクランプ。
【請求項１６】
前記第１のクランプアームは固定され、前記第２のクランプアームは可動である請求項１５に記載のクランプ。
【請求項１７】
前記第１および第２のクランプアームの対向した側部は、前記把持領域から、前記第１の開口部の反対側の前記第２の開口部へ狭くなる請求項１５に記載のクランプ。
【請求項１８】
ボンドにワイヤを接合する方法であって、
前記ボンドに溝を形成するステップと、
前記溝にワイヤを配置するステップと、
ワイヤのまわりの前記溝を塞ぐステップと、
を含むワイヤ接合方法。
【請求項１９】
前記形成ステップは、超音波エネルギーおよび圧力により行われる請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
圧力は、溝形成部で前記ボンドにボンドツールを押しつけることによりかけられる請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ボンドツールは、前記ボンドに概ね垂直方向に動く請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記塞ぐステップは、超音波エネルギーおよび圧力により行われる請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
圧力は、ステーキング部で、前記ボンドにボンドツールを押し付けることによりかけられる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ステーキング部は、逆Ｖ字形状を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記形成ステップ、配置ステップ、および塞ぐステップは、ボンドヘッドを一度通過させることにより行なわれる請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記ワイヤは、フィラメントである請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記ボンドは、アルミニウムワイヤボンドである請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤボンディング装置に関し、特に、フィラメントを接合するボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップまたはディスプレイなどのデバイスにフィラメントを接合する通常のシステムおよび方法は、フィラメントのスプールと、フィラメントを繰り出すデスプーラと、繰り出される時にフィラメントにおける張力を調節するプーリを備えたダンサーアームと、フィラメントガイドと、フィラメントを接合する接合手段とを含んでいることが典型的である。接合手段は、レーザー接合機または超音波ボンダーなどの接合装置にすることができる。選択されたデバイス部分においてフィラメントを接合するために、接合手段を動かしながら、フィラメントが接合されるデバイスを所定位置に保持することができる。ボンドワイヤなどの、他のタイプの巻き取られた線が、同様の構造および方法を用いる場合がある。
【０００３】
通常のデバイスは、ヨネザワらへの米国特許第 6,509,693 号明細書に記載されたような、フィラメントが張り渡され接合される支持構造体を含んでおり、それは、参照によって全体が組み込まれる。支持構造体は、部分的に、下にあるエレメントとの隔離を提供する。この隔離は、フィラメントが加熱され膨張した後に、フィラメントが、撓んで下にあるフィラメントと接触するのを妨げる。当該構造体は、各フィラメントが、一方の端で固定されるとともに、他方の端で弾性を伴い保持されることを可能にする（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、このようなシステムは、デバイス上に支持構造体を製造し固定する費用が追加されるため高価になる。さらに、支持構造体は、デバイスの全厚さを増加させる。その上、フィラメントを支持構造体に溶融接合することによって、フィラメントのコーティング、例えば炭酸塩が、デバイスのディスプレイ領域内へ拡散する恐れがあり、それによって、ディスプレイは、品質が低下するかまたは損傷を受けてしまう。
【０００５】
上記の米国特許第6,509,693号明細書は、配線層と金属フォイルまたはワイヤとの間をフィラメントでボンディングする別のフィラメント接合システムを開示している。これには、フィラメントを固定する２つのボンド材または材料が必要である。
【０００６】
したがって、上述の先行技術の欠点を克服するフィラメント接合システムが必要である。
【特許文献１】米国特許第6,509,693号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、フィラメント接合システムは、平衡化ダンサーアームおよびスプールを有する繰り出し装置と、クランプと、ガイド部、溝形成部、およびステーキング部を有するボンドツールとを備えたボンドヘッドを含んでいる。別の態様によれば、フィラメントは、半導体デバイス上の単一のワイヤボンドに接合される。フィラメント接合システムは、ボンドツールにより供給される力または圧力に加えて、超音波エネルギーを用いる。
【０００８】
一実施形態によれば、フィラメントは、ボンドツールのガイド部から、溝形成部およびステーキング部を通って給送される。接合プロセス中に、ボンドツールは、半導体デバイスまたはディスプレイ上において、フィラメントが、アルミニウムボンドなどのワイヤボンドと溝形成部との間にくるように、ワイヤボンド上に降ろされる。次いで、溝形成部は、超音波エネルギーおよび力（圧力）によりワイヤボンドに溝を形成し、ボンド内にフィラメントを埋め込む。ボンドツールは、ワイヤボンドに垂直に動く。次に、ステーキング部は、一実施形態ではＶ字形状を有しており、ボンドに強い衝撃を与え、材料を切り開き、フィラメントをボンド材で覆う。これによって、ワイヤボンド内にフィラメントが固定されて、ボンド内へのフィラメントの固定が強化される。一実施形態では、溝形成部は、ガイド部とステーキング部との間にあり、すべては、ボンドツール上に配置されている。これによって、ボンドヘッドまたはツールを一度通過させるだけで、フィラメントを接合することができる。
【０００９】
別の実施形態によれば、フィラメントまたはワイヤクランプは、ボンドツールのフィラメントガイドに隣接して配置されており、対向したクランプ半体を有し、これらのクランプ半体は、ワイヤ入口側に、湾曲したテーパーがつけられた小さい開口部を形成し、また、半体の側部は、ワイヤ出口側が把持領域よりも幅が広くなるように相互に遠ざかるように延びている。湾曲した入口は、コーティングまたは材料が、フィラメントから取り除かれるのを妨げるとともに、フィラメントが、入ってくる時にクランプに引っ掛かることを妨げる。巻かれたフィラメントが入口を通過する時、フィラメントは、対向したクランプ半体の広がっている壁に当たり、これは、フィラメントの「尾部」が、クランプから出るときに直線状を維持することを支援する。
【００１０】
別の実施形態によれば、繰り出しシステムは、平衡化ダンサーアームおよびスプールを有しており、ボンドヘッドに配置される。フィラメントがスプールから繰り出される時、ダンサーアームは、フィラメントに必要な張力（例えば巻かれている間にかかっていたのと同様の張力）をかける。このことは、フィラメントが（例えばスプール上のフィラメントの下層と）引っ掛かったりまたは絡まったりすることを妨げる支援を行い、もしそれがなければ、フィラメントコーティングが剥落してしまうことになる。繰り出しシステムが、例えば機械の上にではなくボンドヘッド上に配置されているので、剥落したどんなコーティングも、機械内へかつ／またはフィラメントの給送路上に積もらない。
【００１１】
本発明は、次の図面とともに行う詳細な説明に関連してさらに十分に理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
異なる図面において同一または同様の参照番号を使用して、同一または同様のエレメントを示す。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係るフィラメントまたはワイヤの接合システムの一部分として、ボンドヘッド１００を示す。ボンドヘッド１００は、フィラメントまたはワイヤ１０６が巻きつけられたスプールまたはリール１０４、および平衡化ダンサーアームアセンブリ１０８を有する繰り出しシステム１０２と、フィラメントまたはワイヤクランプ１１０と、ボンドツール１１２とを含んでいる。
【００１４】
繰り出しシステム１０２が、一実施形態によれば、ボンドヘッド１００に配置される。繰り出しシステム１０２は、スプール１０４を機械駆動させるステッピングモータ１１４を含んでいる。スプール１０４は、モータ１１４によりインクリメント方式で駆動される。モータ１１４は、２相バイポーラ負荷モータまたは自由に回転しない他のステッピングモータにすることができる。さらに、他のタイプの駆動装置、電動モータ、サーボモータまたはコイルモータを自由に回転させないように、電動駆動装置を有するブレーキまたはドラッグシステムを使用することも可能である。フィラメント１０６がスプール１０４から繰り出される時、モータ１１４は、スプール１０４をインクリメント式に駆動させ、したがって、スプール１０４は、自由に連続して回転する。ワイヤボンディング用のワイヤまたはフィラメントを繰り出すためにスプールを伴って作動するステッピングモータが、本技術において知られている。そのような１つのシステムが、「ワイヤボンディングスプールシステム」というタイトルの、共有の米国特許第 6,471,116号明細書に開示されており、それは、全体を参照して組み込まれる。
【００１５】
フィラメント１０６は、一般に、特定量の張力でスプール１０４に巻きつけられている。その結果、フィラメント１０６が繰り出される時に、同一または同様の量の張力を用いなければならない。かけられる張力が少なすぎるかまたはない場合、フィラメントは、スプールのフィラメントの下の層にひっかかりまたは絡まって、その結果、フィラメント上のコーティングが剥がれる場合がある。一般に、タングステンの芯線が、Ｂａ、ＳｒまたはＣａの炭酸塩で被覆されて、フィラメントが形成される。炭酸塩が剥落した場合、それは、機械の作動と同様にフィラメントの品質にも悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、かけられる張力が多過ぎた場合、フィラメントのコイルピッチが、多くなり過ぎる可能性がある。
【００１６】
この問題に対処するために、ダンサーアーム１１６を有するダンサーアームアセンブリ１０８を用いて、フィラメントが繰り出されている時に、その張力を調節する。ダンサーアーム１１６は、スプール１０４と、それが給送を行うクランプ１１０との間に位置する。ダンサーアーム１１６は、可動なプーリ１２０を含んでいる。フィラメント１０６は、ボンドヘッドが動くと、スプール１０４から、プーリ１２０に沿って、クランプ１１０およびボンドツール１１２の方へ引き出される。ボンドヘッドは、フィラメントが接合されるデバイスの上部に沿ってその上部の上方をＸ−Ｙ−Ｚ方向に動き得る。スプール１０４から、プーリ１２０を通って、フィラメント１０６を引き出すこの動きによって、フィラメントに張力が生じる。張力は、ダンサーアーム１１６を動かし、センサー（図示せず）が、張力の増加を検知する。これを受けて、モータ１１４は、必要に応じて張力の量を減少させるようにスプール１０４を回転させる。
【００１７】
ダンサーアームシステムは、当業者に知られており、一般にボンディング装置の上部に配置される。ダンサーアームを使用しても、フィラメントが、プーリ１２０を通るなど、スプールからボンドツールへ動かされる時に、フィラメントからコーティングが剥落する可能性がある。本発明の一態様によって、ダンサーアームアセンブリおよびスプールをボンドヘッドに配置することによって、通常のシステムを用いた場合のようには、剥がれたコーティングは、ボンディング装置の中を落下しない。したがって、コーティングの剥落により悪影響を受ける可能性のある領域が、少なくなる。フィラメントと接触する通路の長さおよびアイテムの数は、ボンドヘッドに繰り出しシステムを配置することにより最小限になる。図２は、ダンサーアームアセンブリ１０８の一部分を拡大したものであって、特に、ダンサーアーム１１６と、アセンブリにダンサーアーム１１６を偏倚させるスプリング２００と、ダンサーアーム１１６とともに動くプーリ１２０を示す。ボンドヘッドが動くにつれて、フィラメント１０６は、スプールから繰り出され、クランプ１１０と、下にあるデバイスへの接合用のボンドツール１１２とを通って給送される。
【００１８】
図３から図５および図６Ａから図６Ｄは、本発明の一実施形態に係るクランプ１１０の異なる図を示す。クランプ１１０は、２つの対向するクランプアーム３００および３０２を含んでいる。クランプアームの一方、例えば、クランプアーム３００は、静止しているかまたは固定されており、また、他方のクランプアーム、この例では３０２は、可動である。フィラメント１０６が最初にクランプ１１０内へ動かされる時、可動アームは、クランプ内へのフィラメントの配置を可能にするように開く。図３から分かるように、フィラメント１０６は、ボンドツール１１２を通過する前は、クランプ１１０のクランプアーム３００と３０２との間に保持されている。ここで使用する「保持されている」という用語が、フィラメントを把持するように可動クランプが閉じられた場合のことを言うときに使用されることに留意する。可動クランプが開かれた場合、フィラメントは、堅固には「保持されて」おらず、接合プロセス中に必要に応じて自由に繰り出される。
【００１９】
図４及び図５は、異なる角度の、クランプ１１０の底面図を示す。図４から分かるように、クランプ１１０は、平坦な底面を有し、各クランプアーム３００および３０２の、クランプのフィラメントの入口側にテーパーがつけられた部分４００を有する。テーパーは、ボンドヘッドの通常の作動中にフィラメントがクランプの下に（またはクランプから）落ちた場合、フィラメントがクランプに再び入ることを可能にする。さらに、図４および図５から分かるように、各クランプ３００および３０２は、フィラメント入口５０２に湾曲した部分５０８を有し、テーパーのつけられた通路を形成し、それは、把持部５００へ狭くなっていく。次いで、クランプアームの対向した部分５０４は、フィラメント出口５０６の幅が把持部５００の幅より大きくなるように、広がっている。一実施形態によれば、フィラメントの直径が約０．００３インチである場合、最も狭いポイントにおけるクランプ開口部の幅は、約０．００１インチであり、出口領域では約０．００５インチまで広くなる。
【００２０】
図６Ａから図６Ｄは、クランプ１１０の一実施形態の異なる図を示し、図６Ｃおよび図６Ｄには拡大された部分が示され、記載した寸法はミリメートルで示されている。図６Ｂの部分Ｃは、図６Ｃに拡大図示されており、また、図６Ｃの部分Ｄは、図６Ｄに拡大図示されている。図７は、フィラメント１０６の一例の拡大図を示し、フィラメント１０６は、側面から見ると正弦波状に見える螺旋形状を有し、ピーク同士の間隔は約２２０ミクロン、ピーク同士の高さは約６０ミクロン、厚さは約２０ミクロンである。
【００２１】
そのような設計は、螺旋状コイルとして入ってくるフィラメントが、ボンドツール１１２に比較的真っ直ぐに入ることを可能にする。平坦で平行な対向した側部を有する通常のクランプ設計では、フィラメントは、クランプを出る時に湾曲する場合があり、適切に案内し接合することがさらに困難になる。フィラメントを締めつけたまま、フィラメント尾部を真っ直ぐに維持するために、より幅の広い出口へ延びる、より幅の狭い把持領域が、示されている。フィラメントコイルは、対向したクランプアームの広がっていく各壁に交互に当たり、これは、フィラメント尾部がクランプを出る時に、フィラメント尾部を真っ直ぐに維持するのを助ける。さらに、クランプ１１０の湾曲した狭い入口は、フィラメントがクランプに入るかまたはその中を動く時に、フィラメントがこすれる場合があり、もしそうなった場合、フィラメントからコーティングが剥落するか、あるいはワイヤ自体が損傷しかねない可能性を最小限にする。平坦で平行な対向した側部を有する通常のクランプでは、フィラメントは、クランプの角に沿ってこすれる場合が多い。
【００２２】
図４を再度参照すると、フィラメントは、クランプ１１０を出た後、ボンドツール１１２に入る。一実施形態では、ボンドツール１１２は、３つの主な部分、ガイド部４０２と、溝形成部４０４と、ステーキング部４０６とを含んでいる。一般には、作動中において、ボンドヘッドが溝形成作動中にボンド上に降ろされると、フィラメントは３つの全ての部分と接触するだけである。図８および図９は、ボンドツール１１２の拡大図を示す。フィラメントは、クランプ１１０からガイド部４０２に入る。ガイド部４０２は、ボンドツールの中央へフィラメントを案内する、Ｖ字形状を有し研磨された丸みを有する。ここに示すように、ガイドの入口は、出口よりも大きく、それにより、製造プロセスが簡単になるが、これは、重要ではない。次いで、案内されるフィラメントは、溝形成部４０４およびステーキング部４０６を延びる。溝形成部４０４は、逆Ｖ字形状を有し、フィラメントは、逆Ｖ字の平坦化された上部に着座する。
【００２３】
図１０Ａから図１０Ｄは、一実施形態に係るフィラメント接合プロセス中のステップを示す。フィラメント接合プロセス中に、ボンドツール１１２は、アルミニウムボンドなどのワイヤボンド８００を有するデバイス上に降ろされ、図１０Ａに示すように、溝形成部４０４とボンド８００との間にフィラメント１０６を配置する。超音波エネルギーおよび圧力の両方が、ボンドにかけられて、溝形成部４０４が、ボンド８００に溝８０２を形成する。一実施形態では、溝形成プロセスは、９０の超音波出力で、５５ミリ秒の時間１２００グラムの力を使用する。超音波出力の設定または値が、カリフォルニア州アーヴィンのオーソダイン  エレクトロニクス製のボンダーにおける電力設定に基づいていることに留意する。次いで、ボンドツール１１２は、図１０Ｂに示すように、ボンド８００から離されて、ボンド８００に形成された溝８０２の中にフィラメント１０６を残す。次に、図１０Ｃに示すように、ボンドツール１１２は、再度ボンド８００へ降ろされ、ステーキング部４０６が、ボンドと接触する。超音波エネルギーおよび圧力の両方を使用すると、ステーキング部４０６は、図１０Ｄに示すように、溝形成部４０４により形成された溝を「塞いで」、ボンド８００内にフィラメント１０６を埋め込む。一実施形態では、杭状凹部形成プロセスは、５５の超音波出力で、５５ミリ秒の時間、１４００グラムの力を使用する。ステーキング部４０６は、浅いＶ字状の溝を有し、それによって、Ｖ字状溝の上部が、まずボンドへ接触することが可能になり、図１０Ｄに示すように、ステーキング部がボンド内へさらに降ろされると、Ｖ字状溝の狭くなった側部によって、接合材が、フィラメントを覆い、ボンドに逆Ｖ字状が残る。ボンドツール１１２の動きは、ボンドの長さ方向に概ね垂直である。
【００２４】
本発明のツールおよびプロセスは、多数の利点を有する。ガイド部４０２をボンドツール１１２内に組み込むことによって、別個のフィラメントガイドが不要となり、それによって、ボンディング装置用部品の数が減る。さらに、別個のガイド部に必要な位置合わせの問題は、なくなる。上にあるボンドを使用して、下にある別のボンド上にフィラメントを固定する通常のプロセスとは対照的に、本ボンドツールの設計は、さらに、フィラメントが、単一のボンドに固定接合されることを可能にする。その上、フィラメントは、ボンドヘッドを一度通過させて接合され得、それによって、接合プロセスが簡易化される。
【００２５】
本発明の上記実施形態は、単に例示的なものであって、限定するものではない。したがって、より広い態様で、本発明から逸脱せずに、種々の変更および変形を行うことができることは、当業者には明らかだろう。例えば、上記の説明は、フィラメントに焦点を合わせたが、ワイヤおよび光ファイバーなどの、他のタイプのスプールに巻かれたまたは巻き付けられた材料もまた、適切な場合がある。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲内であるこのような全ての変更および変形を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るボンドヘッドを示す図である。
【図２】図１のダンサーアームアセンブリの拡大図である。
【図３】図１のボンドツールおよびクランプの拡大図である。
【図４】図１のボンドツールおよびクランプの一部分の底面図である。
【図５】図１のボンドツールの底面図である。
【図６】一実施形態に係る図３から図５のクランプを示す図である。
【図７】図６Ａから図６Ｄのクランプにおいて使用されるフィラメントの拡大した部分を示す図である。
【図８】図１のボンドツールの拡大図である。
【図９】図１のボンドツールの拡大図である。
【図ｌ０】本発明の一実施形態に係るボンドにフィラメントを接合するステップを示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００：  ボンドヘッド
１０２：  繰り出しシステム
１０４：  スプール
１０６：  フィラメント
１０８：  平衡化ダンサーアームアセンブリ
１１０：  クランプ
１１２：  ボンドツール
１２０：  プーリ
４０２：  ガイド部
４０４：  溝形成部
４０６：  ステーキング部
５０２：  フィラメント入口
５００：  把持部
５０６：  フィラメント出口
８００：  ボンド
８０２：  溝
【図１】
2005129954.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005129954.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005129954.tif 000009
【図８】
2005129954.tif 000010
【図９】
2005129954.tif 000011
【図ｌ０】
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